(57)【要約】  【課題】ＺｒＢ2単結晶層にＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合に、ＧａＮ化合物半導体層の結晶性を大幅に改善する。  【解決手段】ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との境界面に、前記ＺｒＢ2単結晶層からのＢ，Ｚｒの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ，Ｎの少なくとも１種とを含む反応層が形成されている。  【効果】前記反応層が形成されることにより、ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との格子不整合を緩和し、低欠陥の化合物半導体基板を得ることができる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｒＢ2単結晶層にＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させた化合物半導体基板であって、
前記ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との境界面に、前記ＺｒＢ2単結晶層からのＢ，Ｚｒの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ，Ｎの少なくとも１種とを含む反応層が形成されている化合物半導体基板。
【請求項２】
前記ＺｒＢ2単結晶層は、ＺｒＢ2単結晶基板により構成される請求項１記載の化合物半導体基板。
【請求項３】
前記ＺｒＢ2単結晶層は、所定の基板の表面に形成されたＺｒＢ2単結晶層である請求項１記載の化合物半導体基板。
【請求項４】
前記所定の基板はＳｉ単結晶から成り、前記表面は（１１１）面である請求項３記載の化合物半導体基板。
【請求項５】
ＺｒＢ2単結晶層に、ＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる化合物半導体基板の製造方法において、
ＧａＮ化合物半導体層の成長開始後、第１所定膜厚に達するまでは、パルスレーザー蒸着法によって、前記ＧａＮ化合物半導体層の成長速度を第１の成長速度に設定してＧａＮ化合物半導体層を成長させ、
前記第１所定膜厚に達した後、第２所定膜厚に達するまでは、パルスレーザー蒸着法によって、前記第１の成長速度と同じか、又はそれよりも遅い第２の成長速度に設定してＧａＮ化合物半導体層を成長させ、
前記第２所定膜厚に達した後は、任意のエピタキシャル成長法によって、前記第１の成長速度よりも速い成長速度に設定してＧａＮ化合物半導体層を目標とする膜厚まで成長させる化合物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記任意のエピタキシャル成長法がＭＯＣＶＤ法である請求項５記載の化合物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記任意のエピタキシャル成長法がパルスレーザー蒸着法である請求項５記載の化合物半導体基板の製造方法。
【請求項８】
パルスレーザー蒸着開始後、前記第２所定膜厚に達するまでは、前記ＺｒＢ2単結晶層の温度を第１の基板温度に設定し、
前記第２所定膜厚に達した後は、前記第１の基板温度よりも高い第２の基板温度に設定する請求項５記載の化合物半導体基板の製造方法。
【請求項９】
ＺｒＢ2単結晶層に、ＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる化合物半導体基板の製造方法において、
ＧａＮ化合物半導体層の成長開始後、第１所定膜厚に達するまでは、パルスレーザー蒸着法によって、前記ＺｒＢ2単結晶層の温度を第１の基板温度に設定してＧａＮ化合物半導体層を成長させ、
第２所定膜厚に達した後は、任意のエピタキシャル成長法によって、前記第１の基板温度よりも高い第２の基板温度に設定してＧａＮ化合物半導体層を目標とする膜厚まで成長させる化合物半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の化合物半導体基板を用いて、前記ＧａＮ化合物半導体層で発光部を構成した発光素子。
【請求項１１】
請求項１０記載の発光素子と、該発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び／又は燐光体を具備する照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面が窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体と良好に格子整合する硼化ジルコニウム（ＺｒＢ2）単結晶を用いて結晶性を大幅に改善した化合物半導体基板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、青色もしくは紫外の発光素子としてＧａＮ系化合物半導体を用いた発光素子が広く知られている。このような発光素子においては、高い発光効率を得る上で、ＧａＮ系化合物半導体の結晶品質が重要であり、ＧａＮ系化合物半導体を結晶成長させるための基板及び基板との間に介在させるバッファー層の性質や品質が特に重要となっている。
このようなＧａＮ系化合物半導体を成長させるための従来の基板としては、例えばサファイア，炭化珪素（ＳｉＣ），珪素（Ｓｉ）及びガリウム砒素（ＧａＡｓ）等が周知である。
【０００３】
また、従来のバッファー層としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）及びＧａＮ（ＧａＮ）等が周知である。
このような構成の従来周知の基板及びバッファー層のいずれかの組合せでは、基板とバッファー層との間で格子定数の不整合が大きいために、転位が多く発生し、良好な結晶品質が基本的に得られにくいという問題がある。そこで、上記不整合による影響を小さくするためにバッファー層の膜厚を非常に厚くしたり、バッファー層を低温で成長させてから後に高温で熱処理するという余分な工程が必要である。
【０００４】
これらの工夫により転位低減は可能であるが、製造コストや歩留りの観点から実用的上困難であるのが実状である。
そこで、格子定数差の少ないホウ化物単結晶（ＧａＮとの格子ミスマッチが１％程度）が提案されている。
ホウ化物単結晶は粉末原料をセラミック状に成型した棒状原料から、高周波加熱帯溶融法（ＲＦ−ＦＺ法）により結晶成長させる（特許文献４参照）。
【０００５】
このほかにも、従来の基板及びバッファー層の他の例としては、珪素（Ｓｉ）基板上にバッファー層としてＺｒＢ2層を結晶成長させたものが開示されている。
これらの従来の基板及びバッファー層は、バッファー層とＧａＮ系化合物半導体との格子定数が整合するので、良好なＧａＮ系化合物半導体の結晶成長が期待される。
なお、これら従来の基板及びバッファー層は、その主面上に例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等の気相成長法によって、ＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させる。
【非特許文献１】R.Liu, A.Bell, F.A.Ponce, S.Kamiyama, H.Amano, I.Akasaki，「アトミック・アレンジメント・アット・ザ・ＡＬＮ／ＺｒＢ2・インターフェイス（Atomic Arrangement at the AlN/ZrB2 interface）」アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letters），（米国），アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス（American Institute of Physics），第81巻，第17号，2002年10月21日，ｐ．3182−3184
【特許文献１】特開２００２−４３２２３号公報
【特許文献２】特開平１５−１９２４９６号公報
【特許文献３】国際公開第04/73045号パンフレット
【特許文献４】特開平１０−９５６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＺｒＢ2単結晶上にＧａＮ系化合物半導体を結晶成長する表面が、ＺｒＢ2から成る従来の基板及びバッファー層である場合であっても、例えば成長温度をエピタキシャル成長に通常は適しているような高い温度に設定すると、ＧａＮ系化合物半導体の格子定数が整合していても良好なエピタキシャル成長をすることが難しいという問題点があった。
【０００７】
また、このような従来の基板及びバッファー層を用いた発光装置及び照明装置では、ＧａＮ系化合物半導体の結晶品質が十分ではないために十分な発光強度が得られないことがあるという問題点があった。
したがって、本発明の目的は、表面がＧａＮ系化合物半導体と良好に格子整合するＺｒＢ2単結晶を用いてＧａＮ系化合物半導体の結晶性を大幅に改善することができる化合物半導体基板と、それを用いた発光素子及び照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の化合物半導体基板は、ＺｒＢ2単結晶層にＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させたものであって、ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との境界面に、前記ＺｒＢ2単結晶層からのＢ，Ｚｒの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ，Ｎの少なくとも１種とを含む反応層が形成されている化合物半導体基板である。
この化合物半導体基板によれば、ＺｒＢ2単結晶層上に、ＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる過程で、その間に前記単結晶層からのＢ，Ｚｒの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ，Ｎの少なくとも１種とを含む反応層が形成されている。
【０００９】
従って、この反応層の存在により、特にバッファー層を形成しなくともＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との格子不整合を緩和し、低欠陥の化合物半導体基板を得ることができる。
前記ＺｒＢ2単結晶層は、ＺｒＢ2単結晶基板により構成されるものでもよく、所定の基板の表面に形成されたものでもよい。
【００１０】
前記所定の基板がＳｉ単結晶基板であるときは、前記表面は（１１１）面とする。Ｓｉ単結晶基板は大面積の基板として用意しやすいことから、大面積化に有利な化合物半導体基板となる。
また、本発明の化合物半導体基板の製造方法は、ＺｒＢ2単結晶層に、ＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合に、ＧａＮ化合物半導体層の成長開始後、第１所定膜厚に達するまでは、パルスレーザー蒸着法によって、前記ＧａＮ化合物半導体層の成長速度を第１の成長速度に設定してＧａＮ化合物半導体層を成長させ、第１所定膜厚に達した後、第２所定膜厚に達するまでは、パルスレーザー蒸着法によって、前記第１の成長速度と同じか、又はそれよりも遅い第２の成長速度に設定してＧａＮ化合物半導体層を成長させ、前記第２所定膜厚に達した後は、任意のエピタキシャル成長法によって、前記第１の成長速度よりも速い成長速度に設定してＧａＮ化合物半導体層を目標とする膜厚まで成長させる製造方法である。
【００１１】
この製造方法によれば、ＧａＮ化合物半導体層の成長開始から前記第１所定膜厚に達するまでは、パルスレーザー蒸着法によって、前記ＧａＮ化合物半導体層の成長速度を第１の成長速度に設定してＧａＮ化合物半導体層を成長させる。この過程で、ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との境界面に、前記ＺｒＢ2単結晶層からのＢ，Ｚｒの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ，Ｎの少なくとも１種とを含む反応層が形成される。
【００１２】
第１所定膜厚に達した後、第２所定膜厚に達するまでは、パルスレーザー蒸着法によって、前記第１の成長速度と同じか、又はそれよりも遅い第２の成長速度に設定してＧａＮ化合物半導体層を成長させる。この過程では、前記反応層がすでに形成されているので、ＧａＮ化合物半導体層を比較的ゆっくりと成長させることにより、品質の高いＧａＮ化合物半導体層を形成することができる。
【００１３】
前記第２所定膜厚に達した後は、任意のエピタキシャル成長法によって、前記第１の成長速度よりも速い成長速度に設定してＧａＮ化合物半導体層を目標とする膜厚まで成長させる。これにより、化合物半導体基板の製造時間を短縮して、量産に適した製造条件とすることができる。
このように、ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との間に前記反応層が形成されることにより、ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との格子不整合を緩和し、低欠陥の化合物半導体基板を得ることができる。
【００１４】
なお、ＧａＮ化合物半導体層の成長速度を設定するには、レーザーパルス照射周波数を設定する、レーザーのパワーを設定する、等の方法がある。
前記第２所定膜厚に達した後の任意の成長方法は、ＭＯＣＶＤ法でもよく、パルスレーザー蒸着法でもよい。
さらに、ＺｒＢ2単結晶層の表面にＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させるときに、ＧａＮ化合物半導体層の成長速度を設定することに加えて、パルスレーザー蒸着開始後、第２所定膜厚に達するまでは、前記ＺｒＢ2単結晶層の温度を第１の基板温度に設定し、前記第２所定膜厚に達した後は、前記第１の基板温度よりも高い第２の基板温度に設定してもよい。
【００１５】
この方法では、前記ＺｒＢ2単結晶層の温度を設定する。すなわち、パルスレーザー蒸着開始後、第２所定膜厚に達するまでは、通常よりも低い第１の基板温度に設定する。これにより、前記成長速度の設定と協働して、反応層の膜厚を制御することができる。前記第２所定膜厚に達した後は、任意のエピタキシャル成長法によって、通常設定される第２の基板温度に設定してＧａＮ化合物半導体層を目標とする膜厚まで成長させる。
【００１６】
また、本発明の化合物半導体基板の製造方法は、ＺｒＢ2単結晶層に、ＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合に、ＧａＮ化合物半導体層の成長開始後、第１所定膜厚に達するまでは、パルスレーザー蒸着法によって、前記ＺｒＢ2単結晶層の温度を第１の基板温度に設定してＧａＮ化合物半導体層を成長させ、前記第２所定膜厚に達した後は、任意のエピタキシャル成長法によって、前記第１の基板温度よりも高い第２の基板温度に設定してＧａＮ化合物半導体層を目標とする膜厚まで成長させる方法である。
【００１７】
この方法では、ＧａＮ化合物半導体層成長時のＺｒＢ2単結晶層の温度を設定する。すなわち、パルスレーザー蒸着開始後、第２所定膜厚に達するまでは、通常よりも低い第１の基板温度に設定する。この過程で、ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との境界面に、前記ＺｒＢ2単結晶層からのＢ，Ｚｒの少なくとも１種と前記化合物半導体層からのＧａ，Ｎの少なくとも１種とを含む反応層が形成される。前記第２所定膜厚に達した後は、任意のエピタキシャル成長法によって、通常設定される第２の基板温度に設定してＧａＮ化合物半導体層を目標とする膜厚まで成長させる。
【００１８】
このように、ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との間に前記反応層が形成されることにより、ＺｒＢ2単結晶層とＧａＮ化合物半導体層との格子不整合を緩和し、低欠陥の化合物半導体基板を得ることができる。
また、本発明によれば、前記化合物半導体基板を用いて、ＧａＮ化合物半導体層で発光部を構成した発光素子を製造することができる。この発光素子は、簡単に作製することができ、かつ、ＺｒＢ2単結晶層の上にエピタキシャル成長するＧａＮ発光層の結晶品質がより向上するので、発光強度が強い高性能なものとなる。
【００１９】
さらに、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び／又は燐光体を具備する照明装置を作ることができる。この照明装置によれば、上記発光素子と、この発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備することから、蛍光体または燐光体を強く励起することができるため、良好な照度を得ることができるものとなる。また、このような照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等よりも省エネルギー性や小型化に優れた照明装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の化合物半導体基板及びその製造方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の化合物半導体基板の一例を示す模式的な断面図である。
図１において、１はＺｒＢ2単結晶基板、３はＧａＮ化合物半導体層である。
２は、ＺｒＢ2単結晶基板１上にＧａＮ化合物半導体層３を成長させる段階で生成された反応層を示す。反応層２は、Ｂ，Ｚｒの少なくとも１種と、Ｇａ，Ｎの少なくとも１種とを含んで形成されている。
【００２１】
図２は、単結晶基板４上にＺｒＢ2単結晶層１ａを形成し、その上にＧａＮ化合物半導体層３を成長させた本発明の化合物半導体基板の一例を示す模式的な断面図である。
図２の化合物半導体基板においても、ＺｒＢ2単結晶層１ａ上にＧａＮ化合物半導体層３を成長させた段階で、反応層２が生成されている。
前記単結晶基板４の材質は任意であるが、例えば珪素基板であってもよい。基板４を珪素で形成することにより、大面積の基板が入手できるから、大面積化できる点で有利である。ＺｒＢ2単結晶層１ａは、例えば珪素（１１１）面上にエピタキシャル成長させる。
【００２２】
図３は、前記化合物半導体基板を用いた発光素子の実施の形態を示す模式的な断面図である。この図３において、図１，図２と同様の箇所は同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
ＺｒＢ2単結晶基板１（ＺｒＢ2単結晶層１ａでもよい）に、発光層３ａを含むＧａＮ化合物半導体層（ＧａＮ化合物半導体層多層膜）３が形成され、このＧａＮ化合物半導体層３上に電極パッド６が形成されている。
【００２３】
前記ＧａＮ化合物半導体層３は、発光層３ａを、第１導電型半導体層３ｃ（この例ではｐ型半導体層）及び第２導電型半導体層３ｂ（この例ではｎ型半導体層）で挟んだものとしている。第１導電型半導体層３ｃ及び第２導電型半導体層３ｂは、禁制帯幅が発光層３ａよりも広くなるように組成をそれぞれ制御している。
なお、発光層３ａは禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回規則的に繰り返された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることが好ましい。
【００２４】
また、第１導電型半導体層３ｃ及び第２導電型半導体層３ｂは、それぞれ発光層３ａ側にインジウム（Ｉｎ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含有する層を複数層（図示せず）積層した構造としてもよい。
なお、第１導電型半導体層３ｃ及び第２導電型半導体層３ｂの導電型を逆にして、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層としても構わない。
【００２５】
第１導電型半導体層３ｃは、ＺｒＢ2基板１上に、パルスレーザー蒸着法（Pulsed Laser Deposition：PLD）によってエピタキシャル成長させて形成する。ただし、ただし、パルスレーザー蒸着法でのエピタキシャル成長は第１導電型半導体層３ｃの成長初期だけに適用してもよく、第１導電型半導体層３ｃに必要な残りの膜厚を他のＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法で成長させても良い。
【００２６】
パルスレーザー蒸着法は、図４に概念的に示されるように、窒素ガス雰囲気中で、高エネルギーレーザー光ＬＢを用いて、原料であるＧａを昇華させ、半導体成長基板であるＺｒＢ2単結晶基板１上にＧａＮをエピタキシャル成長させる手法である。なお、図４において、Ｓは半導体成長基板を一主面において支持するサセプター、Ｈはサセプターの他主面に設置されたヒーターである。
【００２７】
このようにパルスレーザー蒸着法を用いて、ＺｒＢ2単結晶基板１上にＧａＮ化合物半導体層３を成長させることにより、ＺｒＢ2単結晶基板１とＧａＮ化合物半導体層３との間に、ＺｒＢ2単結晶基板１からのＢ，Ｚｒの少なくとも１種と、ＧａＮ化合物半導体層３からのＧａ，Ｎの少なくとも１種とを含む反応層２が形成される。
この反応層２が介在することにより、ＺｒＢ2単結晶基板１とＧａＮ化合物半導体層３との格子不整合を緩和し、低欠陥のＧａＮ化合物半導体層３を得ることができる。
【００２８】
すなわち、ＧａＮ（ＧａＮ）の格子定数が3.189Åであるのに対して、ＺｒＢ2単結晶層１ａの格子定数は3.169Åであり、0.6％の格子定数不整合を有するが、ＧａＮ化合物半導体層３の成長時にＺｒＢ2単結晶基板１からのＢ，Ｚｒの少なくとも１種と前記ＧａＮ化合物半導体層３からのＧａ，Ｎの少なくとも１種とを含む反応層２が形成されることにより、0.6％の格子不整合による転位の増殖を抑制できる。
【００２９】
なお、発光層３ａ及び第２導電型半導体層３ｂは、任意の薄膜形成法で形成することができる。例えば、前記パルスレーザー蒸着法で形成してもよく、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形成してもよい。
次に、本発明の化合物半導体基板を用いた発光素子の製造方法を図に基づき説明する。
図５（ａ）〜図５（ｃ）に、発光素子の製造工程を示す模式的な断面図を示す。
【００３０】
まず、図５（ａ）に示すように、ＺｒＢ2単結晶層１ａ上にＧａＮ化合物半導体層３を、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）によって成長させる。
すなわち窒素気流中で、ＫｒＦレーザー光（波長248nm）を、原料となるＧａターゲットに照射して、ＺｒＢ2単結晶層１ａ上にＧａＮをエピタキシャル成長させる。ＺｒＢ2単結晶層１ａとしてのＺｒＢ2単結晶基板１の温度の制御はヒーターへの通電により行う。
【００３１】
図６は、ＺｒＢ2単結晶基板（以下「基板」という）１上にパルスレーザー蒸着法を用いてＧａＮをエピタキシャル成長させる場合の、成長膜厚に対する基板温度Ｔ及び成長速度ｒの関係を示したグラフである。
このグラフに示す膜厚ｔ１，ｔ２は、それぞれ設定膜厚を示す。設定膜厚ｔ１は２０〜５０ｎｍに設定し、膜厚ｔ２は５０〜１００ｎｍに設定する。
【００３２】
成長膜厚が０から設定膜厚ｔ１までの期間は、基板１とＧａＮ化合物半導体層３との間に反応層２が形成されるための成膜条件Ａを適用する。
成長膜厚が設定膜厚ｔ１から設定膜厚ｔ２までの期間は、すでに反応層２は形成されたとみなして、良質なＧａＮ化合物半導体層３を形成するための成膜条件Ｂを適用する。
成長膜厚が設定膜厚ｔ２を超えれば、ＧａＮ化合物半導体層３を高速に形成するための成膜条件Ｃを適用する。
【００３３】
成膜条件Ａ，Ｂ，Ｃは次のような内容になる。
成膜条件Ａ：  基板温度をＴ1に保ち、膜厚の成長速度ｒはｒ１に保つ。Ｔ1は、室温から200°Ｃまでの任意の値に設定する。ｒ１は１時間当たり49nm〜66nmの成長速度とする。ｒ１をこの範囲よりも遅くすると、形成される反応層２の厚さが厚くなりすぎて、基板１とＧａＮ化合物半導体層３とを格子整合させる役割を果たせなくなる。ｒ１をこの範囲よりも速くすると、原料供給に対してＧａＮ化合物半導体の反応が間に合わずに組成や結晶系の異なる成分が現れて、ＧａＮ化合物の品質が悪くなる。この成膜条件Ａを採用することによって、基板とＧａＮ化合物半導体層３との間に、厚さ約１nm〜２nmの反応層２が形成される。
【００３４】
成膜条件Ｂ：  基板温度をＴ1に保ち、膜厚の成長速度ｒをｒ１より遅い速度ｒ２に保つ。例えばｒ１＝毎時66nmとすると、ｒ２は毎時50nmとする。膜厚の成長速度をｒ１よりも下げる理由は、成長速度を下げるほうが結晶の品質はよくなることと、この段階では反応層２ができてしまっているため、成長速度を下げても反応層２の厚さがこれ以上厚くなることがないからである。この成膜条件Ｂを採用することによって、基板１上の、反応層２に近い部分に高品質のＧａＮ化合物半導体層３を形成することができる。
【００３５】
なお、成膜条件Ｂは、成膜条件Ａと同じ条件に置き換えることもできる。この場合の成長膜厚に対する基板温度Ｔ及び成長速度ｒの関係を図７に示す。図７では、成長膜厚が設定膜厚ｔ２に達するまで、膜厚の成長速度ｒをｒ１に保って、成膜を続ける。これは、成長膜厚が設定膜厚ｔ２に達するまで、成膜条件Ａをそのまま適用することに他ならない。
成膜条件Ｃ：  膜厚の成長速度ｒをｒ１よりも高いｒ３に保ち、基板温度もＴ1より高いＴ2に保って成膜する。Ｔ2は200°Ｃ以上1200°Ｃ未満の温度に設定する。ｒ３は、毎時100nmから毎時1000nmまでの速度とする。この成膜条件Ｃを適用することによって、基板１上に、ＧａＮ化合物半導体層３を所定の厚さまで速やかに形成することができる。
【００３６】
なお、ｔ２以降の膜厚に相当する部分は、パルスレーザー蒸着法以外に、成長速度を上げることができる有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）を用いてＧａＮ化合物半導体層を成長させてもよい。また、ＧａＮ化合物半導体層３が図５に示すような多層膜から成る場合、膜厚ｔ２は第１導電型半導体層３ｃにおけるＰＬＤ法で形成された途中までの膜厚に相当する。
【００３７】
続いてその上に、ＧａＮ化合物半導体層とＩｎＧａＮ化合物半導体層を多層に積層した多層量子井戸層（ＭＱＷ: Multi Quantum Wells）を有する発光層３ａを形成する。
さらにその上に、第２導電型半導体層３ｂを形成する。
このとき、発光層３ａ、第２導電型半導体層３ｂは、ＰＬＤ法で作製してもよいが、有機金属成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって作製すると生産性が向上する。
【００３８】
次に、図５（ｂ）に示すように、ＧａＮ化合物半導体層３の上に、透光性導電層４を、真空蒸着やスパッタリングにより形成する。
また、電極パッド６を、透光性導電層４の一部に、真空蒸着やスパッタリングにより形成する。電極パッド６は、第２導電型半導体層３ｂ（ｎ型半導体層）と良好なオーミック接合がとれる金属から成る層状のものを用いればよい。
【００３９】
さらに、図５（ｃ）に示すように、第２導電型半導体層３ｂの所定部分をレーザー加工により削り取って、第１導電型半導体層３ｃを露出させ、電極パッド５を、この露出部分の上に、真空蒸着やスパッタリングにより形成する。
以上のように構成された発光素子は、電極パッド間に順方向バイアス電圧を印加することによってＧａＮ化合物半導体層３にバイアス電流を流して波長350〜400ナノメートル（ｎｍ）程度の紫外〜近紫外光を発生させることができる。
【００４０】
本発明の発光素子によれば、上記構成とすることから、ＧａＮ化合物半導体層３とバッファー層に相当する反応層２が介在するために、ＺｒＢ2単結晶基板１の上に、ＧａＮ化合物半導体層３を、格子不整合条件を緩和させながら、エピタキシャル成長させることができるので、発光強度が強い高性能な発光素子が得られる。
次に、本発明の照明装置は、前記本発明の発光素子と、この発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備する構成である。例えば、発光素子の光取り出し面側に蛍光体を設けた構成において、発光素子が例えば波長350〜400ｎｍの紫外〜近紫外光で発光し、蛍光体が励起光であるその発光を受けて例えば白色光を発することによって照明装置としての動作をする。
【００４１】
このような照明装置は、例えば、発光素子の光取り出し面側に蛍光体を設けた構成において、発光素子が例えば波長350〜400ｎｍの紫外〜近紫外光で発光し、蛍光体が励起光であるその発光を受けて例えば白色光を発することによって照明装置としての動作をする。
本発明の照明装置は、このような構成とすることから、良好な発光強度を有する発光素子自体の紫外〜近紫外光により蛍光体（または燐光体）を強く励起するため、良好な照度を得ることができるものとなる。また、このような本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等の代替品となり、それらよりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなる。
【実施例】
【００４２】
まず、ＺｒＢ2単結晶層１ａを、次のようにして作製した。ＺｒＢ2粉末を約１０００ｋｇ/ｃｍ2の圧力でプレスし、真空炉中で、約２０００℃で焼結することによって成形品を得た。これを原料棒として、高周波加熱式ＦＺ法によりＺｒＢ2を結晶成長させた。成長したＺｒＢ2単結晶を放電加工機により約１ｍｍの厚みで（０００１）面にカットしてＺｒＢ2単結晶基板１となるウエハを作製し、そのウエハの表面を炭化珪素砥粒による粗研磨し、コロイダルシリカによるメカノケミカル法で鏡面研磨して、ＺｒＢ2単結晶基板１を得た。
【００４３】
次に、ＺｒＢ2単結晶層１ａ上にＧａＮ化合物半導体層３を、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）法によって成長させた。窒素気流には2.7×10-3Paの窒素ガスを用いた。ＫｒＦレーザーの出力は0.3W(0.25〜0.5W)、照射周波数10Hz(10〜20Hz)の条件で1時間当たり66nm（49〜66nm）の成長速度で成長を行った（括弧内は好ましい範囲である）。
約３０分の照射によりＧａＮ化合物半導体層３の膜厚が設定膜厚ｔ１＝３３nmに到達したら、成長速度を下げるため照射周波数を５Ｈｚに下げて、ＧａＮ化合物半導体層３の一部の膜厚が設定膜厚ｔ２＝５０nmになるまで約３０分間照射を続けた。
【００４４】
なお、照射周波数を下げる代わりにレーザーの出力を下げて、成長速度を低下させてもよい。
続いて、ｔ２を超える膜厚では700℃（200〜1200℃）の基板温度で、ＫｒＦレーザーの出力を1.15W（0.5〜2.0W）、照射周波数30Hz（30〜40Hz）の条件で所定の厚さまでエピタキシャル成長させた。
【００４５】
このようにして、図２の構造を有する化合物半導体基板を製作した。なお、膜厚が設定膜厚ｔ１に達する期間の成長速度を49nm/hr、33nm/hrとした化合物半導体基板もそれぞれ製作した。
透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型電子線マクロアナライザー（Energy Dispersive Spectrometer：EDS）を用いてＧａＮ化合物半導体層３の成分を分析したところ、基板１に由来するＺｒとＢ、ＧａＮ化合物半導体層３に由来するＧａとＮのそれぞれ少なくとも１種から構成されている反応層２が形成されていることが判明した。反応層２の厚さは、１nmから２nm程度であった。
【００４６】
有機金属気相成長法(Metalorganic Chemical Vapor Deposition：MOCVD)では、薄膜の形成温度の下限値を制御できないために、反応層２の厚さは厚くなる。そのため、かえって結晶品質を劣化させることから、パルスレーザー蒸着法が適している。
製作された化合物半導体基板の基板表面から設定膜厚ｔ２までの成長膜の試料表面の状態を、反射型電子線回折法（Refraction High Energy Electron Diffraction：ＲＨＥＥＤ）によるその場観察（結晶成長時における結晶成長状態の観察）を行って評価した結果、図８のようなＲＨＥＥＤ振動が観察された。
【００４７】
膜厚が設定膜厚ｔ１に達するまでの期間の成長速度が66nm/hr、49nm/hrの基板１では、２次元成長に特徴的な平坦なＲＨＥＥＤ振動が表れているが、33nm/hrの基板１ではＲＨＥＥＤ振動が表れていない。これは、成長速度が遅いために、無秩序な結晶成長が支配的になっていると推測できる。
さらに、この化合物半導体基板の表面を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy：ＡＦＭ）を用いて観察したところ、図９に模式的に示すような原子ステップが観察された。このことから、ＧａＮ化合物半導体層３の品質向上に必要な原子レベルでの平坦な２次元成長が行われていることが分かる。
【００４８】
この化合物半導体基板の結晶性を評価するために電子線回折（Electron Backscatter Diffraction：ＥＢＳＤ）法による分析を行った。回折ビームの角度分散と強度から求めた(10-10)面の半値幅を図１０に示す。その結果、半値幅は約0.1度であった。
このEBSDの評価では、サファイア上のＧａＮでは格子不整合が大きいため、原子レベルでの平坦な膜は得られず、測定不能であった。また、格子不整合の小さなＺｎＯ上へ同様の方法で成長したＧａＮでは0.46度程度であった。
【００４９】
ｔ２を超える膜厚のＧａＮの結晶性を評価するため、X線ロッキングカーブにより半値幅測定を行った。(20-24)面において0.08度以下の良好な結晶品質を実現できた。
従来のMOCVD法を用いてサファイア上へ成長させたＧａＮを評価した場合には、小さくてもX線ロッキングカーブの半値幅は0.12度であり、従来のＧａＮ結晶品質を大きく改善できた。
【００５０】
したがって、本発明の化合物半導体基板は、結晶性が大幅に改善されていることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】ＺｒＢ2基板とその上に形成されたＧａＮ化合物半導体層との積層構造を示す、本発明の化合物半導体基板の模式的な断面図である。
【図２】結晶基板上にＺｒＢ2単結晶層を形成し、その上にＧａＮ化合物半導体層を形成した本発明の化合物半導体基板を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の化合物半導体基板を用いた発光素子の実施の形態を示す模式的な断面図である。
【図４】パルスレーザー蒸着法の原理を示す概念図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の化合物半導体基板を用いた発光素子の各製造工程を示す断面図である。
【図６】ＺｒＢ2単結晶基板上にパルスレーザー蒸着法を用いてＧａＮ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合の、成長膜厚に対する基板温度Ｔ及び成長速度ｒの関係を示すグラフである。
【図７】成長膜厚が設定膜厚ｔ２に達するまで、膜厚の成長速度ｒを一定に保つ場合のグラフである。
【図８】化合物半導体基板の成長膜の試料表面の状態を、反射型電子線回折法により観察した結果を示すＲＨＥＥＤ振動のグラフである。
【図９】化合物半導体基板の成長膜の試料表面の状態を、原子間力顕微鏡を用いて観察した画面図である。
【図１０】化合物半導体基板の結晶性を評価するために電子線回折を行い、回折ビームの角度分散と強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１  ＺｒＢ2単結晶基板
１ａ  ＺｒＢ2単結晶層
２  反応層
３  ＧａＮ化合物半導体層
３ａ  発光層
３ｂ  第２導電型半導体層
３ｃ  第１導電型半導体層
４  単結晶基板
５  電極パッド
６  電極パッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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